硬件在环仿真测试技术及其在船舶行业中的应用现状

杨 勇， 储云泽， 奚啸天

(上海船舶工艺研究所， 上海 200032)

0 引 言

硬件在环仿真测试技术通过将控制系统连接到硬件在环(Hardware-in-the-Loop, HIL)仿真模拟器上进行功能检测，该技术具有灵便程度高、可重复性强、测试周期短、经济性良好等众多优点，同时避免了传统测试中对人员和环境存在危害的可能性。目前，随着智能化和信息化的不断提高，无论是船舶还是海洋平台，在海上运营和作业时越来越高度依赖于控制系统，因此，在船舶行业内推广与应用硬件在环仿真测试技术对控制系统的全面测试十分有必要。

1 硬件在环仿真测试技术的特点与优势

在硬件在环仿真测试技术中，控制系统连接到由计算机模拟的被控对象上，而模拟的被控对象将是对真实控制对象的准确模拟，与真实的被控对象有一致的行为与输入输出关系。控制系统可以像控制真实被控对象一样控制模拟被控对象。硬件在环仿真测试技术结合了纯物理仿真技术和纯数字仿真技术的优点[1]，有效避免了它们的缺点。硬件在环仿真测试技术的主要优点及与传统技术的对比如下：

(1) 物理仿真技术过程直观，但是耗时、耗力，所受限制较多，一些特殊或极端的工况无法进行仿真并检测。相比于物理仿真技术，采用硬件在环仿真测试技术能够根据需求进行建模，并合理简化，可大幅减轻控制系统开发和检测过程中的工作量，提高研发效率。同时，在系统设计中可考虑更多的方案，包括极端工况测试等，并可进行重复性试验。

(2) 数字仿真技术具有周期短、可重复性强等优势，但是准确性不够高，也受数学模型复杂程度和计算机性能的制约。相比于数字仿真技术，硬件在环仿真测试技术由于接入了被测控制系统，结果更加直观真实，提高了测试结果的可靠性，克服了数字仿真技术进行测试时的结果稳定性和可靠性不高的缺点。

目前，硬件在环仿真测试技术在汽车、航空、航天等领域已经得到较为广泛的应用。随着汽车工业的不断发展，各类控制系统不断增加，其研发与测试成为一项重要内容。利用硬件在环仿真测试技术可对各个控制系统进行大规模的测试并取得较好的效果，可减少实车试验次数、降低系统开发费用、提高系统开发效率等。在航空工业中，测试各类控制系统成本较高，需花费大量人力、物力和财力，硬件在环仿真测试技术的应用显著改善这种情况，该技术成为研发控制系统中必不可少的关键环节。

对于船舶行业而言，采用硬件在环仿真测试技术，控制系统不用连接到真实环境，而是连接到硬件在环模拟器。在测试中，由于控制系统无法分辨真实环境与HIL仿真模拟器中虚拟环境之间的差异，被测的控制系统如同在真实环境中工作，通过模拟各种内外界因素，检测控制器在各种情况发生时的响应，并找出设计错误与不足，硬件在环仿真测试技术有助于对船舶控制系统进行系统测试，其与传统测试的区别如图1所示。

图1 硬件在环仿真测试与传统测试的区别

2 硬件在环仿真测试技术关键要点

2.1 硬件搭建

系统仿真模型硬件载体、监控硬件、接口硬件等是硬件在环仿真测试系统的主要硬件组成部分[2]。硬件系统是整个硬件在环仿真测试系统的基石，其搭建的合理性与性能配置直接关系到后期硬件在环仿真测试能否稳定运行。在进行硬件搭建时需考虑满足多方面的需求，包括高速运算及处理能力、良好的拓展性能、可适应性强的输入/输出接口设置[3]、高可靠性和强大的软件支持功能等。

2.2 软件设计

硬件在环仿真系统的软件设计需考虑控制逻辑的合理性和使用性，强大的人机交互界面，数据采集、分析和显示能力，后处理能力等。基于现代控制理论，对软件控制逻辑进行设计，可避免传统方法的局限性，具有十分重要的意义。人机交互界面是软件设计的另一个核心要点，其构建了人机互动的桥梁。在测试过程中会涉及大量的试验数据，因此数据的采集分析及后处理能力至关重要。

2.3 虚拟建模

硬件在环仿真测试虚拟建模技术是测试系统开发中十分重要的环节之一，与一般仿真技术仅起到演示的作用不同，其对虚拟建模技术要求十分严格，测试目的不同也会导致虚拟建模时考虑要点的改变。仿真模型必须能反映系统的时变性，能正确反馈系统的实际工作流程，并实时地体现其在控制系统作用下运行状态的改变情况。

3 硬件在环仿真测试技术在船舶行业中的应用

3.1 运动控制和动力定位系统

为适应现代航运业发展的需求，新造船舶正不断向高航速、大吨位发展，同时随着海上交通，特别是内河水上交通船舶数量的增加，船舶运动控制系统的研发也面临巨大挑战。对于浮式海洋平台而言，随着近海油气资源的不断匮乏，其作业水深也不断增加，所面临的风、浪、流等环境条件越来越恶劣，传统锚泊式系泊系统已无法满足较高的定位要求，动力定位系统也越来越多地布置于海洋平台之上。

沈智鹏等[4]设计了一套针对船舶运动控制的硬件在环仿真系统，并对其进行测试，测试结果良好，为实验室环境下开发和测试船舶运动控制系统奠定了基础。李向阳等[5]利用硬件在环仿真测试技术，设计了一款HIL船舶模拟器，该模拟器可以模拟船舶的运动状况，以配合硬件在环仿真测试工作的开展。李精明[6]开发了一套教学用途的船舶液压舵机硬件在环仿真系统，该系统能够实现对舵机工作过程的模拟，很好地满足了教学需求。赵广伟[7]将硬件在环仿真测试技术应用于舵机设备样机的性能验证中，取得了不错的效果，同时利用该技术参数改变的便捷性，节约了开发时间和成本。杜玉龙[8]基于硬件在环仿真技术设计了动力定位控制系统模拟器，构建了运动与环境模块，为实现下一步的测试奠定基础。

3.2 电力推进系统

船舶电力推进系统相较于传统推进系统，能够起到降低能源消耗、减少环境污染等作用，特别是伴随着电子技术的发展与进步，船用电力推进系统得到越来越多的关注，其控制系统的设计也更加重要。

刘峰[9]以某救生船的电力推进系统为研究对象，利用硬件在环技术构建仿真平台，对该救生船的电力推进系统进行硬件在环仿真试验，并寻求较优的船机桨匹配策略。罗成汉[10]基于硬件在环仿真测试技术，搭建电力推进系统平台，研究了螺旋桨负载模拟技术及监控技术。吴金才等[11]开发了数字信号处理器通信程序，并将该程序应用到船舶电力推进系统的硬件在环仿真测试中。林治国[12]搭建了全面的船舶电力推进硬件在环仿真测试系统，对该系统的性能进行参数研究，包括控制方式的变化及螺旋桨参数的改变等。

3.3 船用柴油机

船用柴油机的各类控制系统可有效改善柴油机的排放性能，提高运行中的可靠性，利用硬件在环仿真测试技术对其控制系统进行测试有助于开发研制和故障排除。

考虑到船用柴油机尺寸大及传统试验成本高等问题，杨永文等[13]考虑应用硬件在环仿真测试技术于船用柴油机的开发中，对模型仿真技术进行研究，结合充排法和平均值法建立船用柴油机仿真模型，并验证该模型的可靠性。杨建国等[14]基于硬件在环技术，对船用柴油机的电控排气阀系统进行性能研究，测量其相关信号，得到电控单元控制策略，为进一步研究奠定了基础。张俊深等[15]对基于数字信号处理技术的船舶柴油发电机转速控制系统进行详细的介绍，包括硬件搭建与软件设计，并利用硬件在环仿真测试技术验证其可靠性。汤经纬[16]基于硬件在环仿真技术，设计相关柴油机模型，同时将电子调速液压执行器和快速原型控制器接入仿真系统，验证该硬件在环仿真测试的可行性。徐敏航等[17]设计并开发船舶电站系统仿真模型，并基于此搭建硬件在环仿真测试系统，仿真结果表明，该测试系统能够很好地满足测试需要。

3.4 其他船用控制系统

曹云鹏[18]针对船用液化石油气发动机喷射控制系统进行了大量研究工作，通过硬件在环仿真测试技术，对船用液化石油气发动机喷射控制系统进行检测，提高了检测效率。王世耀[19]将硬件在环仿真测试技术引入到船舶振动主动控制系统的开发中，构建控制器硬件在环仿真台架模型，并检验了模型的有效性。

4 结论与建议

(1) 硬件在环仿真测试技术结合物理仿真测试技术和数字仿真测试技术的优点，应用形式灵活多样。随着工业技术日新月异的发展，控制系统的电子化、信息化程度越来越高，更新换代也日益加快，综合考虑测试准确性、研发周期性、投入成本性等各要素，硬件在环仿真测试技术的应用会越来越广泛。

(2) 当前无论是船舶还是海洋平台，正常运营与作业高度依赖于各类控制系统，利用硬件在环仿真测试技术对控制系统进行测试十分有意义。目前在国内船舶行业中，硬件在环仿真测试技术的研究还主要集中于高校和科研院所中，在船舶业界的推广度和实际应用程度还远远不够。

(3) 硬件在环仿真测试技术的应用可为船舶和海洋平台的控制系统提供保障，相对于船舶与海洋工程平台庞大的系统组成而言，该技术在国内的研究与应用对象较为单一，主要集中于船用柴油机系统、船舶运动控制系统、船舶电力推进系统等几个方面，针对其在更多相关方面的研究并在行业内推广开展具有重大的意义。